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无线通信已全面渗透到人类社会,成为推动社会进步和国民经济发展的重要力量。移动互联网和万物互联网需求对第五代(5G)和未来第六代(6G)宽带无线移动网络提出了巨大的挑战,要求5G和未来6G从传统的以人为中心向面向人-机-物三元网络发展,并且提供超级的网络性能。首先,诸如虚拟现实(VR)/增强现实(AR)、360度视频、超高清视频、全息影像、全感数字现实(DR)等超高品质巨流量的新兴宽带多媒体业务要求无线网络实现10 Gbps到多Tbps数据传输;其次,海量的机器类终端要求无线网络支持巨连接并实现巨址通信;再次,工业互联网、车联网和自动驾驶、远程医疗等应用要求无线网络实现超高可靠低时延迟通信。功率域非正交多址接入(NOMA)技术利用功率域这个新的资源维度通过叠加编码实现多用户叠加传输从而获得更多自由度(DoF),具有高频谱效率、低时延和支持巨连接等优点,是5G和未来6G的重要技术之一。本论文面向5G和未来6G,以提高数据传输效率为目的,围绕NOMA技术展开研究,重点研究了非理想信道状态信息(CSI)和串行干扰消除(SIC)条件下行NOMA传输与性能分析、基于D2D通信的下行全双工用户协作NOMA系统与性能分析、全双工双向NOMA中继网络与性能分析、基于NOMA大规模异构多播广播单频网(MBSFN)和大规模毫米波NOMA多速率多播广播网络及其建模与性能分析。首先,从用户的角度分析了非理想信道估计和SIC条件下下行NOMA系统的性能,得到了排序前用户的遍历容量和中断概率的闭合表达式,揭示了信道估计误差和SIC错误对NOMA性能的影响。针对统计CSI条件下行NOMA系统,研究了一种概率性NOMA传输方案来改善具有较小平均链路质量的NOMA用户性能,得到了遍历容量和中断概率的闭合表达式。从用户合作的角度重新思考NOMA传输,研究了一种非理想信道估计和SIC条件下基于收益分成的下行NOMA系统和动态功率分配方案。研究结果表明,基于收益分成的NOMA方案可以使用户根据协商的分成比例共享NOMA传输带来的收益。其次,针对下行NOMA系统中NOMA弱用户性能差问题,利用具有良好信道条件的NOMA强用户通过SIC译码可以获得NOMA弱用户信息这个特点,将全双工通信和设备到设备(D2D)通信引入到下行NOMA系统,研究了一种下行基于D2D通信的全双工用户协作NOMA方案,推导了 NOMA弱用户的中断概率的解析表达式。该方案利用工作于全双工模式的NOMA强用户作为用户中继,协助NOMA弱用户传输数据。考虑全双工通信遭受残余自干扰而存在性能权衡,研究了一种下行自适应多址接入方案,实现全双工用户协作NOMA、NOMA和正交多址接入(OMA)之间的动态切换,推导了 NOMA弱用户的中断概率的解析表达式。研究结果表明,全双工用户协作NOMA可以改善NOMA弱用户的中断性能,而自适应多址接入方案可以进一步改善NOMA弱用户的中断性能。再次,针对全双工NOMA中继网络,分析了由两节点一中继组成的具有满自由度的全双工双向NOMA中继的性能,得到了采用放大转发和基于物理层网络编码(PNC)和模拟网络编码(ANC)译码转发的中断概率和平均速率的近似闭合表达式。研究结果表明,当残余自干扰低于一定的阈值时,全双工双向NOMA中继可以实现比全双工OMA中继网络更好的平均速率和中断概率。接着,针对NOMA改善多播广播单频网(MBSFN)性能,首先考虑混合多MBMS场景,利用MBMS用户组之间的信道差异,研究了基于NOMA多业务多播广播方案,使用随机几何对基于NOMA大规模异构多业务MBSFN网络进行建模和性能分析,得到了单小区和多小区模式条件下覆盖概率和多播广播吞吐量的解析表达式。进一步地,考虑可扩展MBMS,利用MBMS用户组内用户之间的信道差异,研究了一种基于NOMA多速率多播广播方案,使用随机几何对基于NOMA大规模异构多速率MBSFN网络进行建模和性能分析,得到了采用单小区和多小区传输模式的覆盖概率和多播广播吞吐量的解析表达式。研究结果表明,基于NOMA多业务多播广播和基于NOMA多速率多播广播较基于OMA多播广播改善了 MBSFN的性能。最后,针对NOMA改善超高品质巨流量的可扩展MBMS传输性能,研究了一种毫米波NOMA多速率多播广播,使用随机几何对大规模毫米波NOMA多速率多播广播单频网络进行建模和性能分析,得到了覆盖概率和多播广播吞吐量的解析表达式。进一步地,考虑大规模异构毫米波网络,利用宏基站协作毫米波基站传输可扩展MBMS的基础数据层,研究了一种毫米波协作NOMA多速率多播广播,使用随机几何对大规模毫米波协作NOMA多速率多播广播异构网络进行建模和性能分析,得到了覆盖概率和多播广播吞吐量的解析表达式。研究结果表明,毫米波NOMA多播广播和毫米波协作NOMA波多播广播较毫米波OMA多播广播可以实现更高的多播广播吞吐量;毫米波协作NOMA波多播广播较毫米波NOMA多播广播进一步提高了可扩展MBMS基础数据层的译码成功率并实现了更好的覆盖性能和更高的吞吐量。